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JP4645233B2 - 弾性表面波装置 - Google Patents

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Description

本発明は、特に外部から掛かる圧力や内部圧力の変化に強く、かつ温度サイクルなどの信頼性に優れた弾性表面波装置に関するものである。
従来、この種の弾性表面波装置は小型・低背化を実現するため、アルミナよりなる実装基板の上面に半田バンプを形成し、弾性表面波素子を表面波伝搬面が下となるように半田バンプにより接合し、弾性表面波素子の周囲を封止樹脂層で被覆していた。
図３（ａ）は従来の弾性表面波装置を示すものである。図３（ａ）に示すように、封止樹脂１と実装基板２と半田バンプ３と弾性表面波素子４とから構成されている。
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。
特開平８−２０４４９７号公報
しかしながら、前記従来の構成では、弾性表面波素子と実装基板との接続に用いているバンプは半田材料のみで形成されており、外装も樹脂層のみで構成されているため、外部から強い圧力が掛かると図３（ｂ）に示すようにバンプが大きく潰れ、オープン不良やショート不良など電気特性に不具合を生じることがあるという課題を有していた。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、バンプに特別な強度がない場合であっても、外部から強い圧力が掛かった際のバンプの潰れが抑制され、オープン不良やショート不良など電気特性の不具合を回避でき、温度サイクルなどに対する信頼性にも優れ、なおかつ安価に製造できる弾性表面波装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために、本発明は、封止樹脂を３層構造とし、最外層の樹脂よりも中間層の樹脂の弾性率が大きく、最外層の樹脂よりも最内層の樹脂の弾性率が小さい構成とするものである。
本発明の弾性表面波装置は、封止樹脂を３層構造とし、最外層の樹脂の弾性率よりも中間層の樹脂の弾性率の方が大きく、最外層の樹脂の弾性率よりも最内層の樹脂の弾性率の方が小さい構成としたので、外部から強い圧力が掛かった際のバンプの潰れが抑制され、オープン不良やショート不良など電気特性の不具合を回避でき、かつ温度サイクルなどに対する信頼性を高くすることができる。
（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明における弾性表面波装置について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態１における弾性表面波装置の断面図である。
弾性表面波素子１１にはＬｉＴａＯ3単結晶を用いたが、ＬｉＮｂＯ3や水晶などの他の単結晶あるいは圧電セラミックスなどを選択することができる。弾性表面波素子１１の主面には弾性表面波を励振するための櫛形電極１２ａ、ＰＡＤ電極１２ｂ、配線電極（図示なし）などが形成されている。これらの電極材料としては特に限定されないが、櫛形電極１２ａには軽量なＡｌ系を用いることが望ましく、ＰＡＤ電極１２ｂには、はんだ材料との接続信頼性を高めるため、最表面にＡｕを含む材料を用いることが望ましい。弾性表面波素子１１の主面に形成する電極パターンは、特に限定されず、従来より周知の弾性表面波フィルタや弾性表面波共振子などを形成することができる。
実装基板１３にはアルミナを用いたが、他のセラミックスやガラスセラミックス、樹脂基板などの絶縁性材料を選択することができる。実装基板１３は、表面および裏面にＰＡＤ電極１４ａ、１４ｂを備え、内部には再配線層１５とこれらを接続するためのビア電極１６ａ、１６ｂが形成されている。なお、ここでは再配線層として電極層を１層で構成したが、必要に応じて２層以上の電極層を有する実装基板を用いてもよい。
実装基板１３に使用される電極材料は基板材料の種類に応じて、Ｗ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｕなど適合可能な材料を選択することができる。そして、ＰＡＤ電極１４ａ、１４ｂの表面には、はんだ材料との接続信頼性を高めるため、Ｎｉ／Ａｕめっきなどを施すことが望ましい。なお、表面のＰＡＤ電極１４ａについては、小径化を図るため、ビア電極の上面に直接Ｎｉ／Ａｕめっきなどを施しただけでもよい。
弾性表面波素子１１は、励振部となる櫛形電極１２ａが形成された主面が下側になるように、実装基板１３の上面に配置され、バンプ１７で両者のＰＡＤ電極１２ｂと１４ａが固定され、かつ電気的にも接続されている。
バンプ１７はコスト面からはんだバンプを用いている。はんだ材料には環境面から鉛フリーのはんだが望ましい。ここではＳｎ−Ａｇ−Ｃｕのはんだ材料を用いたが、その他の成分のものでもよい。また、それらの組成比についても、接続信頼性などの観点から適当なものを選択することができる。
弾性表面波素子１１と実装基板１３の間に弾性表面波の励振を阻害しないための振動空間２０が形成された形で、弾性表面波素子１１を覆うように実装基板１３上に封止樹脂２１で封止されている。ここで振動空間２０の高さを約５０μｍとする。
封止樹脂２１は３層構造からなり、第１の樹脂２１ａは弾性表面波素子１１の裏面と側面および実装基板１３の上面の一部を覆っている。第２の樹脂２１ｂは第１の樹脂２１ａを覆い、第３の樹脂２１ｃは第２の樹脂２１ｂを覆っている。ここで第１の樹脂２１ａの弾性表面波素子裏面付近の厚さを約２０μｍ、側面付近の厚さを約１５μｍ、硬化後の弾性率を約２ＧＰａ、第２の樹脂２１ｂの弾性表面波素子裏面付近の厚さを約６０μｍ、硬化後の弾性率を約１８ＧＰａ、第３の樹脂２１ｃの硬化後の弾性率を約９ＧＰａとする。
第３の樹脂２１ｃは、弾性表面波装置の裏面および側面の一部の形状を形成し、この弾性率や線膨張係数が弾性表面波装置の温度サイクルなどの信頼性に大きく寄与している。第３の樹脂２１ｃの弾性率や線膨張係数が大きすぎると温度変化によって封止樹脂２１が大きく変形するため、弾性表面波装置がたわみ、はんだバンプ１７の内部または接続部分にクラックが入ることがある。したがって第３の樹脂２１ｃは、弾性率が１０ＧＰａより小さく、弾性表面波装置の表面の強度を維持するため５ＧＰａ以上であることが好ましい。そして線膨張係数が５０ｐｐｍ／℃より小さいことが好ましく、弾性表面波素子１１の線膨張係数と同程度であることがより好ましい。
第２の樹脂２１ｂは第３の樹脂２１ｃよりも弾性率が大きいため、弾性表面波装置に対して外部から大きな圧力が掛かった際に、第２の樹脂２１ｂによって圧力を受け止め、バンプ１７に掛かる圧力を低減することができ、バンプ１７の潰れによる故障を防ぐことができる。また、弾性表面波装置内部の圧力が上がった際に封止樹脂２１が変形することを防ぐこともできる。
弾性表面波装置が電子部品モジュールとして使用される場合、トランスファーモールドなど２次モールドが行われる場合がある。この時、例えば１００ｂａｒ程度の高圧力が弾性表面波装置に掛かることになる。このような圧力に耐えるために、第２の樹脂２１ｂの弾性率は１０ＧＰａよりも大きいことが好ましく、１５ＧＰａ以上であることがより好ましい。
また、トランスファーモールドは例えば１７０℃以上の高温で行われるため、第２の樹脂２１ｂはＴｇが１００℃より高いことが好ましく、１７０℃以上であることがより好ましい。
弾性表面波素子１１に直接接する第１の樹脂２１ａは、第３の樹脂２１ｃよりも弾性率が小さいため、温度変化によって封止樹脂２１と弾性表面波素子１１との膨張収縮差から発生する応力を第１の樹脂２１ａによって吸収し低減することができる。そしてバンプ１７の接続部分に掛かる応力を大幅に低減することができ、温度サイクルなどの信頼性を高めることができる。
第１の樹脂の弾性率は、封止樹脂２１から弾性表面波素子１１への応力を低減できるように５ＧＰａより小さいことが好ましく、３ＧＰａより小さいことがより好ましい。
封止樹脂２１の材料としては特に限定されるものではないが、不純物が少ない点からエポキシ系の樹脂が望ましい。また、樹脂の弾性率や線膨張係数は、材料組成やフィラーの粒径と含有量などで調整することができる。
弾性表面波素子１１の裏面に接する第１の樹脂２１ａの厚さは、実装基板１３の上面に接する第１の樹脂２１ａの厚さとほぼ同じであることが好ましい。これは、外部から強い圧力が掛かり実装基板１３上の第１の樹脂２１ａが弾性率が低いために潰れた場合、弾性表面波素子１１上の第１の樹脂２１ａが同じ厚みだけ潰れることによって、弾性表面波素子１１に大きな応力が掛からず、バンプ１７の潰れを防ぐことができるからである。
弾性表面波素子１１の裏面に存在する第１の樹脂２１ａの厚さは、実装基板１３の裏面に接する第１の樹脂２１ａの厚さよりも薄い場合、上記のような効果はなく、逆に弾性表面波素子１１の裏面に接する第１の樹脂２１ａの厚さは、実装基板１３の裏面に接する第１の樹脂２１ａの厚さよりも厚い場合、弾性表面波素子１１の裏面に接する第２の樹脂２１ｂが薄くなり、弾性表面波素子１１の裏面の封止樹脂２１の強度が低下する。
弾性表面波素子側面に接する第１の樹脂の厚さは、弾性表面波素子１１と実装基板１３との間の振動空間の高さの１／１０〜１／２であることが好ましい。第１の樹脂２１ａの厚さが振動空間の高さの１／２より大きい場合、外部からの強い圧力によって第１の樹脂が潰された場合、弾性表面波素子１１の側面に掛かるせん断応力が大きくなり、バンプ１７に掛かる応力が大きくなるからである。逆に第１の樹脂２１ａの厚さが振動空間の高さの１／１０よりも薄い場合、封止樹脂２１から弾性表面波素子１１へ掛かる応力を低減するという効果が得られにくくなるからである。
（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明について説明する。実施の形態１にかかる発明では弾性表面波素子と実装基板にはさまれた空間には封止樹脂が入っていないのに対して、本実施の形態２にかかる発明では、弾性表面波素子と実装基板にはさまれた空間の一部に第１の樹脂および第２の樹脂が入り込んでいる点で実施の形態１と相違する。
図２においては、弾性表面波素子１１と実装基板１３との間の空間の外縁には、弾性率が高い第２の樹脂２１ｂが存在している。このことにより、弾性表面波装置に外部から強い圧力が掛かった場合でも、弾性表面波素子１１が落ち込んでバンプ１７が潰れることがなく、さらに高強度な弾性表面波装置にすることができる。
弾性表面波素子１１と実装基板１３との間の空間に存在させる第２の樹脂２１ｂの量としては、弾性表面波の振動を阻害しない範囲で適当な量を決めることができる。このような形状にするためには、少なくとも第１の樹脂２１ａにフィルム状の樹脂を用い、真空ラミネートを行うことにより実現することができる。
弾性表面波素子１１と実装基板１３との間の空間の外縁に存在する第２の樹脂の中にフィラーを存在させることによって、例えば高温で樹脂成分の弾性率が低下するような場合でも第２の樹脂２１ｂの強度を維持でき、バンプ１７の潰れを防ぐことができる。
フィラーの種類としては、無機材料や金属材料などから選択することができ、具体的には、高強度で分散性や流動性などが優れている球状シリカがより好ましい。
フィラーの粒径は、弾性表面波素子１１と実装基板１３との間の空間の高さの４０％以上のものが存在することが好ましい。このような構成にすることによって、想定以上の圧力によってバンプ１７が潰れた場合でも、弾性表面波素子１１と実装基板１３との間の空間の高さは、最低でも４０％以上は確実に確保することができ、特にショート不良などの電気特性の不具合が発生しにくくなる。
第２の樹脂２１ｂは、弾性率の小さな第１の樹脂２１ａによって覆われている。このような構成にすることによって、弾性率が大きな第２の樹脂２１ｂが直接弾性表面波素子１１に接することがないので、温度変化などによって弾性表面波素子１１と実装基板１３との間の空間の外縁に存在する第２の樹脂２１ｂが膨張収縮した時に弾性表面波素子１１に掛かる応力を低減することができ、第２の樹脂とは線膨張係数の異なるバンプ１７に掛かる応力を低減することができる。
第２の樹脂２１ｂおよび第３の樹脂２１ｃは、実装基板１３に直接接していない構造となっている。つまり、第２の樹脂２１ｂと第３の樹脂２１ｃは、弾性率の低い第１の樹脂２１ａに接しているだけで、弾性表面波素子１１のみならず、実装基板１３にも接していないことから、あたかも独立して存在しているようになる。このような構造とすることによって、温度変化などで封止樹脂２１から実装基板１３へ掛かる応力を弾性率の低い第１の樹脂２１ａによって低減することができる。すなわち、封止樹脂２１の応力で実装基板１３がたわむのを防ぐことができ、実装基板１３からバンプ１７へ掛かる応力を低減し、温度サイクルなどに対する信頼性に優れた弾性表面波装置にすることができる。
以上のように本発明にかかる弾性表面波装置は、外部から強い圧力が掛かった際のバンプの潰れが抑制され、オープン不良やショート不良など電気特性の不具合を回避することができるので、製造時に高い圧力が掛かる電子部品モジュールや、この電子部品モジュールを用いた通信装置等に有用である。
本発明にかかる弾性表面波装置は、外部から強い圧力が掛かった際のバンプの潰れが抑制され、オープン不良やショート不良など電気特性の不具合を回避することができるので、耐圧力が必要な電子部品モジュールや通信装置等の用途にも適用できる。
本発明の実施の形態１における弾性表面波装置の断面図 本発明の実施の形態２における弾性表面波装置の断面図 従来の弾性表面波装置の断面図
符号の説明
１１ 弾性表面波素子
１２ｂ ＰＡＤ電極
１３ 実装基板
１４ａ、１４ｂ ＰＡＤ電極
１７ バンプ
２０ 振動空間
２１ 封止樹脂
２１ａ 第１の樹脂
２１ｂ 第２の樹脂
２１ｃ 第３の樹脂

Claims (6)

  1. 弾性表面波素子と実装基板とが、前記弾性表面波素子の励振部の面と前記実装基板の上面とが対面するように配置され、両者のパッド電極が電気的に接続されるようにバンプで固定され、前記弾性表面波素子の励振部と前記実装基板との間に振動空間が確保された形で前記弾性表面波素子を覆うように前記実装基板の上面が封止樹脂で封止された構成を有する弾性表面波装置であって、前記封止樹脂は、前記弾性表面波素子の裏面および側面および前記実装基板の上面の少なくとも一部を覆う第１の樹脂と、少なくとも第１の樹脂を覆う第２の樹脂と、少なくとも第２の樹脂を覆う第３の樹脂との少なくとも３層構造からなり、第２の樹脂は第３の樹脂よりも弾性率が大きく、かつ第１の樹脂は第３の樹脂よりも弾性率が小さい弾性表面波装置。
  2. 弾性表面波素子側面に接する第１の樹脂の厚さは、前記弾性表面波素子と実装基板との間の空間の高さの１／１０〜１／２である請求項１記載の弾性表面波装置。
  3. 弾性表面波素子と実装基板にはさまれた空間の一部に少なくとも第２の樹脂が存在する請求項１記載の弾性表面波装置。
  4. 第２の樹脂の中にフィラーが含まれている請求項３記載の弾性表面波装置。
  5. フィラーには、弾性表面波素子と実装基板との間の空間の高さの４０％以上の直径を持つフィラーが含まれている請求項４記載の弾性表面波装置。
  6. 第２の樹脂および第３の樹脂は、実装基板に接していない請求項１記載の弾性表面波装置。
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